Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Верно и обратное утверждение – изменение формы сигнала влияет на перераспределение энергии гармонических составляющих в его спектре.

Энергия прямоугольного импульса распределена по нечетным гармоникам. Для других сигналов спектр будет иметь другой вид. Важно понять, что основной вклад в энергию и форму сигнала вносят ряд первых гармоник. Обычно учитывают от пяти до десяти гармоник. Ограничивая полосу пропускания линии передачи можно предотвратить появление резонансов на высших частотах за пределами основного спектра гармоник, что позволит улучшить электромагнитную совместимость устройств.

Для определения минимальной ширины полосы частот линии передачи, необходимой для неискаженной передачи одиночного импульса с заданным временем нарастания фронта t нар, можно использовать соотношение

fВ = 0,35/tНАР

,где fВ – верхняя частота полосы пропускания.

Пассивные радиоэлементы

Резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы в различных сочетаниях образуют простейшие электрические схемы – фильтры, резонансные колебательные контуры.

Пассивные элементы называют сосредоточенными, если их размеры много меньше (более чем в 10 раз) длины волны для максимальной частоты спектра сигнала, передаваемого в линии.

С ростом частоты размеры катушек индуктивности и конденсаторов, распределенных в линии передачи, становятся соизмеримы с длиной волны. В этом случае пассивные элементы называют распределенными.

Отсутствуя в линии передачи в явном виде, распределенные конденсаторы и индуктивности полностью определяют ее реальные характеристики.

Например, при использовании полосковой линии передачи со скоростью распространения электромагнитной волны

V = 1,5х108 м/с

для импульса с длительностью фронта

tНАР = 1 нс

верхняя граница полосы пропускания линии fВ и длина волны 𝜆 будут иметь следующие значения:

fВ = 0,35/tНАР = 350 МГц.

𝜆 = V/ fВ = 0,43 м

𝜆/10 = 4,3 см

Следовательно, сосредоточенным в данном случае можно считать элемент с геометрической длиной не более 4,3 см.

Для импульса высокоскоростного интерфейса с длительностью фронта равной 100 пс сравнивать размеры элемента нужно уже со значением 4,3 мм. И в этом случае выводные конденсаторы и даже чип компоненты размерами от 0805 и более (от 2 до 20 мм) можно считать распределенными.

Резистор

Конструктивно резистор представляет элемент с двумя выводами, который ограничивает поток зарядов, электрический ток. Основным параметром резистора является электрическое сопротивление, которое определяется удельным сопротивлением проводящего материала ρ0, его длиной l и сечением S.

Резистор не накапливает электрическую или магнитную энергию. Он рассеивает ее в виде тепла в окружающее пространство. При протекании тока I через резистор сопротивлением R на его выводах создается разность потенциалов или падение напряжения, определяемое по закону Ома

U = IR

выделяется тепловая энергия

Q=I2Rt

Сопротивление идеального резистора не зависит от частоты. Поэтому резистор не является реактивным элементом. При прохождении через резистор сигнал сохраняет свою форму. Возможно уменьшение его амплитуды. Причем это изменение амплитуды может происходить почти мгновенно, безынерционно.

Сопротивлением обладают и простые проводники, и полигоны печатной платы. Из-за отсутствия инерционных свойств и малых геометрических размеров их вклад в работу высокочастотных схем и конструкцию печатных плат часто имеет много меньшее значение по сравнению с вкладами инерционных элементов – конденсатора и катушки или эквивалента индуктивности, импеданс которых сильно зависит от частоты сигнала.

Катушка индуктивности

Конструктивно катушка индуктивности представляет электрический элемент в виде отрезка проводника, намотанного на некоторую оправу или сердечник. Основным параметром катушки является ее индуктивность L, определяющая количество запасенной энергии магнитного поля.

,где μ – магнитная проницаемость материала сердечника, μ 0 – магнитная проницаемость свободного пространства (при отсутствии магнитного поля и сердечника данными показателями можно пренебречь), N – число витков (для одиночного сигнального проводника линии передачи данный показатель не имеет значения), А или S – площадь поперечного сечения витка – данный параметр и параметр крутизны изгиба имеет определяющее значение для типового проводника, l – длина катушки

Индуктивностью обладает и прямой проводник. Ее значение можно определить по формуле:

,где l – длина проводника, d – диаметр проводника (в тех же единицах, что и l)

Индуктивность определяет энергию магнитного поля, созданного электрическим током в проводнике, изгибе проводника или контуре. Энергия магнитного поля, накопленная в индуктивности, определяется выражением

Индуктивность катушки пропорциональна значению магнитной проницаемости μ сердечника, на который она установлена.

Импеданс индуктивности Z (сопротивление, зависящее от частоты) при постоянном токе равен нулю или, точнее, омическому сопротивлению образующего ее проводника.

С ростом частоты импеданс индуктивности увеличивается.

Нулевое значение импеданса на постоянном токе и его увеличение с ростом частоты делают эффективными установку катушек и дросселей последовательно в цепь питания для обеспечения фильтрации (высокочастотные составляющие претерпевают при прохождении через индуктивность значительное ослабление). Это позволяет без потерь передавать постоянный ток от источника питания в нагрузку и препятствует нежелательному прохождению высокочастотных составляющих спектра сигнала (возможных пульсаций, помех).

Индуктивность выводов фильтрующих конденсаторов снижает эффективность отвода высокочастотных составляющих спектра в опорный слой. Именно поэтому в качестве фильтрующих рекомендуется применять конденсаторы с малыми размерами выводов с расположением их на минимальном расстоянии от контактов питания микросхем, поскольку подводящие проводники увеличивают «вредную» в данном случае индуктивность выводов.

Значение напряжения на индуктивности зависит от скорости изменения тока, проходящего через нее.

Чем выше скорость изменения тока во времени (чем выше скорость изменения фронта/спада импульса), тем больше выброс напряжения в месте локального увеличения индуктивности.

Индуктивность высокоскоростных линий передачи должна быть минимальна, что означает, что высокоскоростные линии передачи должны быть выполнены максимально прямыми и не должны содержать переходных отверстий и ответвлений.

В цепях и полигонах питания на изгибах проводников, на внутренних и внешних углах полигонов, локальное увеличение индуктивности приводит к росту импеданса цепи.

При изменении силы тока в катушке (или витке провода, или изогнутом проводнике платы) в ней возникает индукционный ток, направленный против движения основного тока. Изменение тока приводит к появлению магнитного поля, которое в свою очередь создает в ней наведенный индукционный ток в противоположном направлении. Это явление называется самоиндукцией.

Проще говоря, катушка становится источником электроэнергии, если находится под действием переменного магнитного поля. Изогнутая линия передачи под действием магнитного поля, создаваемого соседними элементами или источниками, более восприимчива к действию магнитных наводок, чем прямой проводник.

Конденсатор

Конденсатор – это электрический элемент с двумя проводящими обкладками и слоем диэлектрика между ними. Основным параметром конденсатора является электрическая емкость С, определяющая возможный запас энергии электрического поля.

С = ɛ ɛ 0S/d

,где ɛ0 – электрическая постоянная, ɛ – электрическая проницаемость диэлектрика между обкладками, S – площадь перекрытия обкладок, d – расстояние между обкладками

Рис. 13 Конструкция конденсатора

Конденсатор способен накапливать электрический заряд

q = CU

,где U – напряжение между обкладками конденсатора емкостью C.

Энергия электрического поля в конденсаторе равна

Благодаря возможности накопления и хранения электрической энергии в электрических схемах конденсатор применяют в качестве накопительного элемента. Накопительный конденсатор сглаживает провалы напряжения в цепи питания при быстрых изменениях токов в нагрузках. Накопительные конденсаторы большой емкости (десятки, сотни и тысячи микрофарад) рекомендуется устанавливать рядом с выходами источников электропитания. Нет необходимости устанавливать их близко к корпусам фильтруемых микросхем, поскольку основное их назначение – не отвод высокочастотных помех в землю, а накопление энергии.

В местах повышенной индуктивности полигонов и проводников питания, где имеются сужения, острые или прямые углы, или крутые изгибы, установка конденсаторов позволяет скомпенсировать паразитную индуктивность и уменьшить импеданс цепи питания. Таким образом, можно выполнить минимизацию и «выравнивание» импеданса по поверхности печатной платы.

Импеданс конденсатора снижается с ростом частоты. На нулевой частоте конденсатор имеет импеданс, который стремится к бесконечности.

Поскольку конденсатор обеспечивает низкоимпедансный путь для высокочастотных составляющих спектра сигнала, в цепях питания он применяется для отвода высокочастотных составляющих в опорный слой. В этом случае его называют фильтрующим. Для фильтрации питания в широком диапазоне частот устанавливают группы конденсаторов разных номиналов и размеров. Это позволяет снизить влияние ESL и ESR (эквивалентная последовательная индуктивность и эквивалентное последовательное сопротивление соответственно) каждого из них на общую амплитудно-частотную характеристику цепи питания.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.